Microprocesadores

Arquitectura de computadores. Componentes. Placas. Caché. Nuevas tecnologías. Pentium II. SIMD. Ensamblador. Cartucho SEC

  • Enviado por: Mike
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MICROPROCESADORES

Como ya sabemos, el microprocesador es el corazón de la PC, con millones de transistores, funcionando con el sistema binario.

Cada 18 meses los microprocesadores doblan su velocidad. En tal sentido dentro de 25 años una computadora será más poderosa que todas las que estén instaladas actualmente en el Silicon Valley californiano. La performance de estos pequeños y grandes artefactos ha mejorado 25.000 veces en sus 25 años de vida y he aquí algunas prospectivas :

Los microprocesadores del futuro brindarán aún mas recursos a la memoria cache para acercar la actual brecha de velocidad que existe entre ambos.

Los modernos microprocesadores superescalables desempeñan desde tres a seis instrucciones por ciclo de reloj. Por tal motivo, a 250 MHz, un microprocesador superescalable de cuatro direcciones puede ejecutar un billón de instrucciones por segundo. Un procesador del siglo XXI podría lanzar docenas de instrucciones en cada paso.

Algunos sostienen que la tecnología óptica reemplazará inevitablemente a la tecnología electrónica. Las computadoras podrían ser, por ejemplo, construidas completamente de materiales biológicos.

Pipeling, organizaciones superescalares y cachés continuarán protagonizando los avances de la tecnología, estando presente también el multiprocesamiento paralelo.

Probablemente, los microprocesadores existan en varias formas, desde llaves de luz páginas de papel. En el espectro de aplicaciones, estas extraordinarias unidades soportarán desde reconocimiento de voz hasta realidad virtual.

En el futuro cercano, los procesadores y memorias convergirán en un chip, tal como en su momento el microprocesador unió componentes separados en un solo chip. Esto permitirá achicar la distancia entre el procesado y la memoria y sacar ventajas del procesamiento en paralelo, amortizar los costos y usar a pleno la cantidad de transistores de un chip.

El microprocesador del siglo XXI será una computadora completa. Podría denominársela IRAM, para expresar Intelligent Random Access Memory : la mayoría de los transistores en este chip dependerán de la memoria. Mientras que los microprocesadores actuales están asentados sobre cientos de cables para conectar a los chips de memoria externa, los IRAMs no necesitarán más que una red y un cable de electricidad. Todas las unidades de entrada y salida estarán vinculadas a ellos vía red. Si precisan más memoria, tendrán mas poder de procesamiento y viceversa. Mantendrán la capacidad de memoria y velocidad de procesamiento en equilibrio.

Los microprocesadores IRAMs son la arquitectura ideal para el procesamiento en paralelo. Debido a que requerirían tan pocas conexiones externas, estos chips podrían ser extraordinariamente pequeños. Podríamos estar ante microprocesadores más pequeños que el antiguo 4004 de Intel. Si el procesamiento en paralelo prospera, este mar de transistores podría ser, además frecuentado por múltiples procesadores en un solo chip, creándose el “micromultiprocesador”.

La performance de los microprocesadores se duplicará cada 18 meses cerca del giro del milenio. Una comparación no descabellada para el primer cuarto del siglo venidero señala que una computadora del 2020 será tan poderosa como todas las que están instaladas en este momento en Silicon Valley.

NUEVAS TECNOLOGIAS

Con décadas de innovaciones potenciales por delante, los diseños microelectronicos convencionales dominarán el siglo próximo. Esta tendencia impulsa a los laboratorios a explorar una variedad de nuevas tecnologías que podrían ser útiles en el diseño de nuevas computadoras y unidades de procesamiento. En algunos casos estos avances contribuirán a obtener chips más diminutos, niveles inalcanzables a través de las técnicas convencionales litográficas. Entre las tecnologías que se investigan en el presente, de cara al siglo XXI, se encuentran las siguientes :

Cuántica de puntos y otras unidades de electrones simples la cuántica de puntos son “acuerdos moleculares “que habilitan a los investigadores a circunscribir los electrones individuales y monitorear sus movimientos. Estas unidades pueden, en teoría ser usadas como registro binarios en los cuales la presencia o ausencia de un solo electrón se utiliza para representar los ceros y unos de los bits. En una variante de este esquema, el rayo láser iluminado sobre los átomos podría producir el intercambio entre sus estados electrónicos mínimos de energía y los de excitación con el fin de activar el valor de bit. Una complicación de fabrica los transistores y cables extremadamente pequeños está dada cuando los efectos mecánicos comienzan a interrumpir su función. Los componentes lógicos mantienen sus valores I y O menos confiables porque la ubicación de los electrones Individuales se vuelve difícil de especificar. Pero aun esta propiedad puede ser mejorada : los investigadores del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) estudian en este momento, las posibilidades de desarrollar técnicas de computación cuántica, que ayudarían a los sistemas informáticos a cumplir comportamientos no convencionales.

Computación molecular: en lugar de fabricar componentes de silicio, se investiga el desarrollo de almacenamiento utilizando moléculas biológicas. Por ejemplo, se analiza el potencial computacional de moléculas relacionadas con “bacteriorhodopsin”, un pigmento que altera su configuración cuando reacciona a la luz. Una ventaja de este sistema molecular es que puede ser aplicado a una computadora óptica, en la que los flujos de fotones tomarían el lugar de los electrones. Otra posibilidad es que muchas de estas moléculas podrían ser sintetizadas por microorganismos, más que fabricados en plantas industriales. De acuerdo con algunas estimaciones, los biomoléculas activadas fotónicamente pueden vincularse en un sistema de memoria tridimensional que tendría una capacidad 300 veces mayor que los actuales CD-ROMs

Puertas lógicas reversibles: como la densidad de los componentes de los chips crece, la disipación del calor generado por los sistemas de microprocesamiento se volverá más dificultosa. Investigadores de Xerox e IBM están testeando las posibilidades de retornar a los capacitores a sus estados originales al final de los cálculos. Debido a que las puertas de acceso lógico podrían recapturar algo de la energía expulsada, generarían menos pérdidas de calor.

Aún no está claro de que manera se las ingeniará la industria informática para crear transistores más delgados y más rápidos en los años venideros. Por ejemplo, en la técnica fotolitográfica, la luz es empleada para transferir patrones de circuitos de una máscara o plantilla de cuarzo a un chip de silicio. Ahora la tecnología modela diseños de chips de alrededor de 0,35 micrones de ancho, pero achicar esta medida parece imposible mientras se utilice la luz; las ondas luminosas son muy anchas. Muchas compañías han invertido en la búsqueda de maneras de sustituir los más pequeños haces de luz por rayos X. De cualquier manera, los rayos X aún no han resultado como método para masificar la producción de los chips de última generación.

Pentium II

El procesador Pentium con tecnología MMX!, ahora disponible con 166 MHz y 200 MHz.

Con tecnología MMX de Intel, las PCs obtienen un nuevo nivel de funcionamiento en multimedia y otras nuevas capacidades que sobre pasan lo experimentado anteriormente.

  • sonido intenso

  • colores brillantes

  • rendimiento 3D realístico

  • animación y video fluido

Para beneficios de funcionamiento completo, se debe combinar un procesador Pentium con una PC basada en tecnología MMX con programas especialmente diseñados para tecnología MMX.

Características

Con el procesador Pentium II, se obtienen todos los últimos avances de la familia de microprocesadores de Intel: la potencia del procesador Pentium Pro más la riqueza en capacidad de la tecnología mejorada de medios MMX. El procesador Pentium II, entregando el más alto desempeño de Intel, tiene abundante capacidad de desempeño para medios, comunicaciones e Internet a nivel empresarial.

Operando a 233 MHz y 266 MHz para desktops y servidores y a 300 MHz para estaciones de trabajo, el procesador utiliza la tecnología de alto desempeño Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente) para entregar un amplio ancho de banda adecuado para su elevado poder de procesamiento. El diseño del cartucho Single Edge Contact (S.E.C) [Contacto de un Solo Canto] incluye 512KB de cache dedicada de nivel dos (L2). El procesador Pentium II también incluye 32KB de cache L1 (16K para datos, 16K para instrucciones), el doble de la del procesador Pentium Pro.

Características Técnicas:

Arquitectura Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente): al igual que el procesador Pentium Pro, el procesador Pentium II también usa la arquitectura D.I.B. Ésta tecnología de alto desempeño combina ambos, un bus cache L2 dedicado de alta velocidad más un bus del sistema con anticipación que hace posible múltiples transacciones simultáneas.

La tecnología MMX de Intel: la nueva tecnología mejorada de medios de Intel permite al procesador Pentium II ofrecer un alto rendimiento para aplicaciones de medios y comunicaciones.

Ejecución dinámica: el procesador Pentium II usa esta combinación única de técnicas de procesamiento, utilizadas por primera vez en el procesador Pentium Pro, para acelerar el desempeño del software.

Cartucho Single Edge Contact (S.E.C) [Contacto de un Solo Canto]: el nuevo e innovador diseño de empaquetamiento de Intel para éste y los procesadores futuros, el cartucho S.E.C. permite que todas las tecnologías de alto desempeño de los procesadores Pentium II sean entregadas en los sistemas dominantes de hoy en día.

Todas estas características serán luego explicadas con mayor profundidad.

El Procesador Pentium II Trabajando:

Diseñado para desktops, estaciones de trabajo y servidores de alto desempeño, la familia de procesadores Pentium II es completamente compatible con las generaciones precedentes de procesadores de Arquitectura Intel.

Las empresas pequeñas tanto como las grandes pueden beneficiarse del procesador Pentium II. Éste entrega el mejor desempeño disponible para las aplicaciones que se ejecutan en sistemas operacionales avanzados tales como Windows 95, Windows NT y UNIX.

Sobre su poder intrínseco como procesador Pentium Pro, el procesador Pentium II aprovecha el software diseñado para la tecnología MMX de Intel para desbordar la pantalla plena, video de movimiento total, colores más vivos, gráficas más rápidas y otras mejoras en los medios. Con el tiempo, muchas aplicaciones para empresas se beneficiarán del desempeño de la tecnología MMX. Éstas incluyen:

suites para oficina

lectura óptica de documentos

manejo de imágenes

video conferencia

edición y ejecución de video

La tecnología MMX mejora la compresión/descompresión de video, manipulación de imágenes, criptografía y el procesamiento I/O - todas estas se usan hoy en día en una variedad de características de las suites de oficina y medios avanzados, comunicaciones e Internet.

Técnica de la Instrucción Simple, Datos Múltiples (SIMD)

Las aplicaciones de multimedia y comunicaciones de hoy en día con frecuencia usan ciclos repetitivos que, aunque ocupan 10 por ciento o menos del código total de la aplicación, pueden ser responsables hasta por el 90 por ciento del tiempo de ejecución. Un proceso denominado Instrucción Simple Múltiples Datos (SIMD, por sus siglas en inglés) hace posible que una instrucción realice la misma función sobre múltiples datos, en forma semejante a como un sargento de entrenamiento ordena a la totalidad de un pelotón “media vuelta”, en lugar de hacerlo soldado a soldado. SIMD permite al chip reducir los ciclos intensos en computación comunes al video, gráfica y animación.

Nuevas Instrucciones

Los ingenieros de Intel también agregaron 57 poderosas instrucciones nuevas, diseñadas específicamente para manipular y procesar datos de video, audio y gráficas más eficientemente. Estas instrucciones están orientadas a las sucesiones supremamente paralelas y repetitivas que con frecuencia se encuentran en las operaciones de multimedia.

Aunque la tecnología MMX del procesador Pentium II es compatible binariamente con la usada en el procesador Pentium con tecnología MMX, también está sinérgicamente combinada con la avanzada tecnología central del procesador Pentium II. Las poderosas instrucciones de la tecnología MMX aprovechan completamente las eficientes técnicas de procesamiento de la Ejecución Dinámica, entregando las mejores capacidades para medios y comunicaciones.

Arquitectura Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente)

Para satisfacer las demandas de las aplicaciones y anticipar las necesidades de las generaciones futuras de procesadores, Intel ha desarrollado la arquitectura Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente) para resolver las limitaciones en el ancho de banda de la arquitectura de la plataforma actual de la PC.

La arquitectura Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente) fue implementada por primera vez en el procesador Pentium Pro y tendrá disponibilidad más amplia con el procesador Pentium II. Intel creó la arquitectura del bus dual independiente para ayudar al ancho de banda del bus del procesador. Al tener dos buses independientes el procesador Pentium II está habilitado para acceder datos desde cualesquiera de sus buses simultáneamente y en paralelo, en lugar de hacerlo en forma sencilla y secuencial como ocurre en un sistema de bus simple.

Cómo Trabaja

Dos buses conforman la arquitectura Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente): el “bus del caché L2” y el “bus del sistema” entre el procesador y la memoria principal.

El procesador Pentium II puede utilizar simultáneamente los dos buses.

La arquitectura Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente) permite al caché L2 del procesador Pentium II de 266MHz, por ejemplo, operar al doble de velocidad del caché L2 de los procesadores Pentium. Al aumentar la frecuencia de los procesadores Pentium II futuros, también lo hará la velocidad del caché L2.

El bus del sistema de procesamiento por canalización permite transacciones múltiples simultáneas (en lugar de transacciones únicas secuenciales), acelerando el flujo de la información dentro del sistema y elevando el desempeño total.

Conjuntamente estas mejoras en la arquitectura Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente) brindan hasta tres veces el desempeño del ancho de banda sobre un procesador de arquitectura de bus sencillo. Además, la arquitectura Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente) soporta la evolución del bus de memoria del sistema actual de 66 MHz a velocidades más elevadas en el futuro. Esta tecnología de bus de alto ancho de banda está diseñada para trabajar concertadamente con el poder de procesamiento de alto desempeño del procesador Pentium II.

Ejecución Dinámica

¿Qué es Ejecución Dinámica?

Utilizada por primera vez en el procesador Pentium Pro, la Ejecución Dinámica es una innovadora combinación de tres técnicas de procesamiento diseñada para ayudar al procesador a manipular los datos más eficientemente. Éstas son la predicción de ramificaciones múltiples, el análisis del flujo de datos y la ejecución especulativa. La ejecución dinámica hace que el procesador sea más eficiente manipulando datos en lugar de sólo procesar una lista de instrucciones.

La forma cómo los programas de software están escritos puede afectar el desempeño de un procesador. Por ejemplo, el desempeño del software será afectado adversamente si con frecuencia se requiere suspender lo que se está haciendo y “saltar” o “ramificarse” a otra parte en el programa. Retardos también pueden ocurrir cuando el procesador no puede procesar una nueva instrucción hasta completar la instrucción. La ejecución dinámica permite al procesador alterar y predecir el orden de las instrucciones.

La Ejecución Dinámica Consiste de:

Predicción de Ramificaciones Múltiples

Predice el flujo del programa a través de varias ramificaciones: mediante un algoritmo de predicción de ramificaciones múltiples, el procesador puede anticipar los saltos en el flujo de las instrucciones. Éste predice dónde pueden encontrarse las siguientes instrucciones en la memoria con una increíble precisión del 90% o mayor. Esto es posible porque mientras el procesador está buscando y trayendo instrucciones, también busca las instrucciones que están más adelante en el programa. Esta técnica acelera el flujo de trabajo enviado al procesador.

Análisis del Flujo de Datos

Analiza y ordena las instrucciones a ejecutar en una sucesión óptima, independiente del orden original en el programa: mediante el análisis del flujo de datos, el procesador observa las instrucciones de software decodificadas y decide si están listas para ser procesadas o si dependen de otras instrucciones. Entonces el procesador determina la sucesión óptima para el procesamiento y ejecuta las instrucciones en la forma más eficiente.

Ejecución Especulativa

Aumenta la velocidad de ejecución observando adelante del contador del programa y ejecutando las instrucciones que posiblemente van a necesitarse. Cuando el procesador ejecuta las instrucciones (hasta cinco a la vez), lo hace mediante la “ejecución especulativa”. Esto aprovecha la capacidad de procesamiento superescalar del procesador Pentium II tanto como es posible para aumentar el desempeño del software. Como las instrucciones del software que se procesan con base en predicción de ramificaciones, los resultados se guardan como “resultados especulativos”. Una vez que su estado final puede determinarse, las instrucciones se regresan a su orden propio y formalmente se les asigna un estado de máquina.

Cartucho Single Edge Contact (S.E.C) (Contacto de un Solo Canto)

¿Qué es el cartucho de empaquetamiento S.E.C.?

El cartucho Single Edge Contact (S.E.C) [Contacto de un Solo Canto] es el diseño innovador de empaquetamiento de Intel que permite la entrega de niveles de desempeño aún más altos a los sistemas predominantes.

Utilizando esta tecnología, el núcleo y el caché L2 están totalmente encerrados en un cartucho de plástico y metal. Estos subcomponentes están montados superficialmente a un substrato en el interior del cartucho para permitir la operación a alta frecuencia. La tecnología del cartucho S.E.C. permite el uso de los BSRAMs de alto desempeño y gran disponibilidad para el caché L2 dedicado, haciendo posible el procesamiento de alto desempeño a los precios predominantes. Esta tecnología de cartucho también permite al procesador Pentium II usar la misma arquitectura Dual Independent Bus (Bus Dual Independiente) utilizada en el procesador Pentium Pro.

El procesador Pentium II se conecta a una tarjeta madre mediante un conector simple de borde en lugar de hacerlo mediante las patillas múltiples utilizadas en los empaquetamientos PGA existentes. Similarmente, el conector de la ranura 1 reemplaza al zócalo PGA utilizado en los sistemas anteriores. Las versiones futuras del procesador Pentium II también serán compatibles con el conector de la ranura 1.

Aplicaciones del cartucho S.E.C. de Intel

Intel se está moviendo hacia el diseño del cartucho S.E.C. como la solución para los procesadores de alto rendimiento de la siguiente década. El primer cartucho S.E.C. está diseñado para desktops, estaciones de trabajo y servidores de procesamiento sencillo y dual. Posteriormente, Intel optimizará los diseños del cartucho para estaciones de trabajo y servidores de desempeño aún mayor y diseñará soluciones similares, altamente integradas para los sistemas de computación móvil.